一种基于多时间调制频率的四维天线阵边带抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多时间调制频率的四维天线阵边带抑制方法，其基本结构包括由8个天线单元组成的天线阵列、8路射频开关、时钟及驱动电路和现场可编程门阵列FPGA单元。本发明专利技术利用多时间调制频率对四维天线阵的天线单元进行调制，每个单元按照控制时序，采用不同的调制频率周期性通断，在中心频率综合超低副瓣方向图的同时实现低边带电平。另外，选用多时间调制频率代替传统四维天线阵中的单时间调制频率，大大提高了控制时序优化的效率，保证了所述方法的实用性。本发明专利技术采用多时间调制频率，降低了计算复杂度,可以广泛用于需要低副瓣方向图的雷达、无线通信等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多时间调制频率的四维天线阵边带抑制方法
本专利技术属于天线工程
，涉及阵列信号处理，具体来说是一种基于多时间调制频率的四维天线阵，可用于雷达、通信领域要求低副瓣低边带方向图的场合。
技术介绍
在无线通信和雷达系统中，单一天线的辐射性能是有限的，为了满足多种应用场景对天线系统辐射性能的不同需求，将工作在同一频率的多个单一天线，按照一定的方式排布，构成天线阵列，也就是天线阵。天线单元按其在空间上排布的不同方式主要分为以下三类，一维排布的天线阵，构成了均匀或稀布直线阵；二维排布的天线阵，构成了面阵或者圆环阵；三维排布的天线阵，构成了共形面阵或体阵。但是在工程应用中，往往要求天线阵的辐射方向图具有高方向性系数和低副瓣的特点，空间三维排布的设计自由度已经很难满足通信和雷达系统对天线阵的性能的苛刻要求。因此，利用时间这一维自由度，发展时间调制技术，将天线单元在时间维布阵，构成四维天线阵就成为了新一代无线通信和雷达探测技术发展的重要突破口。1963年，美国空军实验室的Kummer等人首次将时间调制技术应用一个八元开槽波导阵列中，实现了-39.5dB的超低副瓣电平。时间调制阵仅仅是四维天线阵的一种形式。四维天线阵通过控制天线单元的通断对发射信号进行时间调制，在中心频率产生等效加权实现低副瓣。但是，与此同时在中心频率之外产生谐波，称这一现象为边带效应或边带辐射。在实现中心频率低副瓣的同时，边带信号对期望信号产生干扰。四维天线阵作为一种新型阵列形式，在雷达和通信领域有着十分广阔的应用前景，其在无线通信领域的应用潜力使四维天线阵的研究成为新一代无线通信的重要发展方向。近年来，欧洲、亚洲等地的学者展开了对四维天线阵的研究，利用其在低副瓣的性能优势，发挥到脉冲多普勒雷达、单脉冲测向和保密通信等应用当中。四维天线阵的边带辐射，在综合低副瓣方向图时，会对中心频率信号产生干扰，影响其低副瓣的性能、降低天线阵方向性系数。因此，需要对边带辐射进行抑制。已有报道的边带抑制方法，大多采用，例如遗传算法、差分进化算法、粒子群算法、模拟退火算法等优化算法对对控制时序进行优化设计。但是，仅仅通过对控制时序的优化来降低边带电平，其抑制效果有限，例如，利用遗传算法(J.Fondevilaetal.,“Optimizinguniformlyexcitedlineararraysthroughtimemodulation,”IEEEAntennasWirelessPropag.Lett.,vol.3,pp.298–301,2004.),粒子群算法(L.Polietal.,“HandlingSidebandRadiationsinTime-ModulatedArraysThroughParticleSwarmOptimization,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.58,no.4,pp.1408–1411,Apr.2010.)，差分进化算法(S.Yangetal.,“Sidebandsuppressionintimemodulatedlineararraysbythedifferentialevolutionalgorithm,”IEEEAntennasWirelessPropag.Lett.,vol.1,pp.173–175,2002.)等等，也有采用基于切比雪夫加权的非均匀时间调制周期方法(C.Heetal.,“SidebandRadiationLevelSuppressioninTime-ModulatedArraybyNonuniformPeriodModulation,”IEEEAntennasWirelessPropag.Lett.,vol.14,pp.606–609,2015.)。但上述方法都仅仅局限在对优化算法的研究，对于阵列硬件设计并没有进一步说明。在与四维天线阵相关的专利中，报道了四维天线阵列的优势，如中国专利(李钢等，“基于时间调制的天线阵列相位控制技术及其系统实现”，CN101609931B，2012；杨仕文等，“一种基于单刀多掷开关的四维天线阵”，CN102646874B，2015)报道了一些四维天线阵的实现形式，使天线阵列不需要使用移相器就可以实现波束空间电扫描，但没有报道边带抑制的方法。本专利技术基于前人在四维天线阵边带抑制方法方面的研究工作，提出了一种基于多时间调制频率的四维天线阵边带抑制新方法。本专利技术对四维天线阵开关控制结构做了相应改进，使用一组多时间调制频率的控制时序，大大降低了以往采用单一时间调制频率造成的高边带电平，降低了边带辐射的峰值功率。并且在优化控制时序的方法上进行了创新，与传统优化算法综合低副瓣方向图方法不同，根据多时间调制频率边带电平的性质，通过合理改进优化流程，缩短了同时综合中心频率低副瓣方向图和抑制边带辐射的优化算法所需的时间。本专利技术可以利用多时间调制频率的四维天线阵，实现中心频率低副瓣和抑制边带辐射，减小边带辐射对信号传输的干扰。最大的创新在于利用多时间调制频率，对四维天线阵的边带进行抑制。所提出的方法利用多时间调制频率的控制时序，大大降低了四维天线阵优化的复杂度，提高了波束赋形速度，实现了低副瓣低边带的应用要求。
技术实现思路
本专利技术鉴于上述技术背景，目的在于对现有技术在应用中存在的问题加以研究和解决，提出了一种基于多时间调制频率的四维天线阵边带抑制方法,利用多时间调制频率对四维天线阵的时序进行控制，解决了四维天线阵在综合低副瓣方向图的同抑制边带辐射的应用中，由于低副瓣对加权要求苛刻，仅采用优化算法对边带辐射难以抑制等问题。本专利技术的基本技术方案是：该装置主要包括8单元均匀直线阵列、功分器、射频开关电路、现场可编程门阵列FPGA单元和时间同步装置。其中FPGA单元包括：计算机接口通信模块、射频开关时序控制模块。FPGA电路板主要完成两项功能，一是产生不同占空比的射频开关控制信号；二是8种不同时间调制频率的信号。每个射频开关控制一个天线单元通道，在各自的调制周期内，根据FPGA产生的控制时序选择导通或者断开。对于每个单元来说，这种周期性的通断会对发射信号进行时间调制，在中心频率附近产生等频率间隔的谐波；对于整个阵列来说，不同的时间调制频率使谐波信号产生的位置不同，故不能叠加，从而降低边带辐射。通过合理设计开关通断时间序列可以实现天线单元在中心频率上的幅度加权，从而向实现低副瓣。利用上述方法对四维天线阵边带进行抑制的过程如下：1)根据所需发射信号的要求，设置四维天线阵各个单元的时间调制频率，利用计算机优化并得到四维天线阵工作的最优时序；2)将四维天线阵时序经由计算机接口通信电路传送给FPGA单元进行保存和处理，并产生对射频开关的控制时序；3)射频开关控制电路按预设时序对控制每一天线单元的射频开关，进行时间调制，每一天线单元的发射信号在空间中叠加，形成低副瓣低边带方向图。本专利技术的创新在于使用了四维天线阵的多时间调制频率抑制边带辐射，从边带形成的物理本质上对进行抑制。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1)大幅度降低边带电平，采用多时间调制频率，从边带形成的物理本质出发，降低了边带辐射电平；2)易于实现，在硬件方面，与采用单一时间调制频率的四维天线一致，仅改变控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多时间调制频率的四维天线阵边带抑制方法，其基本结构包括该装置主要包括8单元均匀直线阵列、功分器、射频开关电路、现场可编程门阵列FPGA单元和时间同步装置；其特征在于每个射频开关控制一个天线单元通道，在各自的调制周期内，根据FPGA产生的控制时序选择导通或者断开；对每个单元来说，这种周期性的通断会对发射信号进行时间调制，在中心频率附近产生等频率间隔的谐波；对于整个阵列来说，不同的时间调制频率使谐波信号产生的位置不同，故不能叠加，从而降低边带辐射。

【技术特征摘要】
1.一种基于多时间调制频率的四维天线阵边带抑制方法，其基本结构包括该装置主要包括8单元均匀直线阵列、功分器、射频开关电路、现场可编程门阵列FPGA单元和时间同步装置；其特征在于每个射频开关控制一个天线单元通道，在各自的调制周期内，根据FPGA产生的控制时序选择导通或者断开；对每个单元来说，这种周期性的通断会对发射信号进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨仕文，过继新，陈益凯，倪东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51